关于陶瓷材料的脆性问题

（1）纤维补强陶瓷基复合材料

用纤维(或晶须)以一定的方式加入到陶瓷的基体中去，一方面可以使高强度的纤维(晶须)来分担外加的负荷，另一方面可以利用纤维(或晶须)与陶瓷基体的弱的界面结合(这点是可以做到的)来造就对外来能量的吸收系统，从而达到改善陶瓷材料脆性的目的。

（2）复相陶瓷材料

两种不同的材料在一起，由于它们热膨胀系数和弹性模量的不同而必然在两个物质之间产生应力，这种在晶粒界面上所存在的应力是造就弱界面的主要根源。近期的很多研究结果表明，若其中有一种物质是纳米级的晶粒存在于另一种物质的微米级晶粒之中，被称之为纳米-微米晶内复合。

（3）自增韧陶瓷材料

人们可以通过特殊的工艺处理，可以使陶瓷坯体中的一部分组分自行生成具有一定的长径比的形态。例如在氧化铝陶瓷在烧结过程中有少量的液相参与，可以引发氧化铝晶粒的异向生长，在氧化铝的基体中形成众多的有较大长径比的棒状晶体。可以使氧化铝陶瓷材料的强度和韧性都有相当程度的提高。又如在氧氮化硅(SIALON)陶瓷中可以使它的α相和β相共存，而β相则是具有一定的长径比的长柱状的晶体。这样的陶瓷材料都表现出优异的力学性能。

（4）叠层复合材料

人们从自然界中存在的贝壳显微结构的启示中，提出了叠层复合材料的构想。即把两种不同组分的材料以三明治的方式堆叠起来，组成多层平行界面的叠层复合材料。

这样设计的材料结构具有众多的和应力方向垂直的弱界面，这些弱界面是造成主裂纹扩展路径扭曲的主要原因，也是促使材料韧性提高的重要因素。同时，在界面间由于在层的两边是不同的材料，必然由于两者在弹性模量和热膨胀系数上的差异而产生残余应力。这种残余应力在一定的限度以内，恰恰是补强和增韧的主要原因。

（5）陶瓷材料的晶界应力设计

用不同相的材料所组成的复相陶瓷，或者在晶界上引入不同组分的玻璃态物质，由于两者物性上的差异，人为地造成在陶瓷材料中的物理上的失配，以使在材料的界相间造成适当的应力状态，从而对外加能量起到吸收、消耗或转移的作用，以达到对陶瓷材料强化与增韧的目的。

自从1975年R.C.Garvie，R.H.Hannink和R.T.Pascoe提出陶瓷钢的设想以来，氧化锆增韧陶瓷材料的研究一直长盛不衰。

氧化锆增韧陶瓷的出现，为陶瓷材料的脆性的改善提供了崭新的思路。在氧化锆增韧陶瓷材料中最主要的是四方相氧化锆多晶体(TZP)，它是先进陶瓷材料中室温力学性能最佳的一种材料。

在制作陶瓷涂层的工艺中，为了要获得较厚的涂层，或者是由于金属基体与陶瓷涂层在热学和力学性能上的较大差异，往往需要采用涂层组成的梯度变化，以求得到性能好和结合强度高的陶瓷涂层。 1987年日本学者新野正之(MasayukiNiino)、平井敏雄(ToshioHirai)和渡边龙三(RyuzoWatanabe)用材料组成的梯度变化来做成一个材料，其两侧具有截然不同的性能，这完全是一种新的构思。

从材料显微结构的认识上，材料中晶粒尺寸与材料性能有直接的关系。当陶瓷材料的晶粒细化达到纳米量级的水平时，材料性能将有明显的异常表现。

在纳米-微米的复合中，为什么第二相一定要是陶瓷呢?换成金属或有机的聚合物行吗?于是多相材料的概念就出现了。

其实，多相材料并不是什么新鲜的概念，几十年前就有过所谓“金属/陶瓷”材料;在橡胶或树脂等有机材料中加入无机物的填料等。现在只是在这些老概念中注入新的内涵。

初步的研究工作表明，金属/陶瓷的系统不仅对材料在强化与增韧方面有作用，而且在电学和热学性能上也有一些奇特的表现，是一个很值得深入探究的研究方向。

陶瓷材料的脆性一直是困惑陶瓷材料研究工作者的基本问题，很多研究工作都是围绕着如何改善或减缓陶瓷材料脆性对材料性能的影响，提高陶瓷材料的可靠性和一致性。

半个世纪研究工作的成果提出了多种行之有效的途径，首先认识的是在陶瓷材料中弱界面的建立，诸如纤维补强陶瓷基复合材料、复相陶瓷材料、自增韧陶瓷材料、陶瓷材料的晶界应力设计。还有氧化锆增韧陶瓷材料、功能梯度材料、叠层材料和纳米陶瓷材料。在此基础上又提出了多相材料。同时也注意到了各种途径的协同效应。

总之，陶瓷材料的脆性是可以在很大程度上得以改善的，但是否可以解决陶瓷材料的脆性问题，尚不能作定论。材料的研究向多功能方向发展，这是材料发展的总趋势，陶瓷材料更不能例外!

文章选自：复旦学报(自然科学版)

作者：郭景坤